电机转速控制系统算法分析与设计

发布于：2025-07-05 ⋅ 阅读:(16) ⋅ 点赞:(0)

 

这个电机驱动的接口电路主要包括以下部分：

电源供给‌：由VCC和GND提供必要的电源电压，C37（100nF）和C38（10uF）电容用于稳定电源电压，减少波动。

控制信号输入‌：‌PA8‌和‌PA11‌作为控制信号源，通过1kΩ的电阻R49和R50分别连接到电机驱动器U21的‌PB6‌和‌PB7‌引脚，用于控制电机的运行状态。

电机驱动核心‌：U21为电机驱动器，其‌OUT1‌和‌OUT2‌输出端直接连接到电机的两个接线端，通过改变这两个端口的电平状态，实现电机的正转、反转或停止。

手动开关控制‌：SK1开关用于手动控制整个电路的通断，从而实现对电机启动和停止的直接操作。

  1. ‌电阻网络（R49-R52）‌

    • ‌分压作用‌：将U21的输出电压按比例衰减，适配下游引脚（如MCU的ADC输入范围）。计算公式为：
      Vout=Vin×RlowerRupper+RlowerVout​=Vin​×Rupper​+Rlower​Rlower​​
      例如：若R49=10kΩ、R50=10kΩ，则PA8获得OUT1一半的电压。‌34
    • ‌限流保护‌：防止开关切换时瞬间电流冲击损坏U21或下游元件。‌9

  2. ‌滤波电容（C37, C38）‌

    • ‌C37 (100nF)‌：滤除高频噪声（如开关抖动或电磁干扰），提升信号稳定性。
    • ‌C38 (10μF)‌：抑制低频纹波，稳定供电电压，防止负载突变导致电压波动。‌56
      二者组合形成宽频带滤波网络。

#include "sys.h"
#include "encoder.h"

/**************************************************************************
函数功能：编码器初始化函数 PB6 PB7
入口参数：无
返回  值：无
**************************************************************************/
void MotorEncoder_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //定义一个引脚初始化的结构体  
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;//定义一个定时器初始化的结构体
  TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; //定义一个定时器编码器模式初始化的结构体
	
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); //使能TIM4时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能CPIOB时钟
 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;	//TIM4_CH1、TIM4_CH2
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);	//根据GPIO_InitStructure的参数初始化GPIO

	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xffff; //设定计数器自动重装值
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0; // 预分频器 
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //选择时钟分频：不分频
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct的参数初始化定时器TIM4
	
  TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising); //使用编码器模式3：CH1、CH2同时计数，为四分频
  TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure); //把TIM_ICInitStruct 中的每一个参数按缺省值填入
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10;  //设置滤波器长度
  TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure); //根TIM_ICInitStructure参数初始化定时器TIM4编码器模式
	
	TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);//清除TIM的更新标志位
  TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE); //更新中断使能
  TIM_SetCounter(TIM4,0); //初始化清空编码器数值
	
	TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); //使能定时器4
}
/**************************************************************************
函数功能：读取TIM4编码器数值
入口参数：无
返回  值：无
**************************************************************************/
int Read_Encoder(void)
{
	//static long int CNT_START=0, CNT_END=0;
	int Encoder_TIM;
	Encoder_TIM=(short)TIM4->CNT; //读取计数
	
 
	if(Encoder_TIM>0xefff)
		Encoder_TIM=Encoder_TIM-0xffff-1; //转化计数值为有方向的值，大于0正转，小于0反转。

	
	TIM4->CNT=0; //读取完后计数清零
	return Encoder_TIM; //返回值
}

 

电机编码器信号采集，指的是通过硬件（如定时器）和软件配合，把电机编码器输出的脉冲信号实时、准确地转换为电机的转速或位置数据。下面详细解释：

1. 编码器信号采集是什么意思？

  • 编码器是一种安装在电机轴上的传感器，能输出与电机旋转相关的脉冲信号（通常为A/B两路正交信号）。
  • 信号采集就是把这些脉冲信号通过MCU（如STM32）的定时器捕获，转换为数字量，进而计算电机的转速、转向和位置。

2. 规则是什么？

  • 硬件规则：编码器A/B两路信号接到定时器的输入通道（如TIM4的CH1/CH2），定时器配置为编码器接口模式（四倍频），自动计数。
  • 软件规则：
    • 每隔固定周期读取一次定时器的计数值（CNT），得到本周期内的脉冲数（即电机转过的“步数”）。
    • 读取后立即清零计数器，保证下次读取的是增量。
    • 若计数值溢出（如超过0xefff），做符号转换，确保正反转都能正确识别。

3. 为什么要这么设计？

  • 高效：利用硬件定时器自动计数，CPU负担小，实时性强。
  • 高精度：四倍频计数，能捕获高速旋转下的每一个脉冲，精度高。
  • 方向识别：正交信号能区分正反转，计数值正负表示旋转方向。
  • 防止溢出：每次读取后清零，避免长时间运行导致计数溢出。
  • 便于控制：实时获得电机运动信息，便于LADRC等控制算法进行闭环调节。

 

1. MotorEncoder_Init 函数

功能：初始化TIM4为编码器接口模式，配置相关GPIO和定时器参数。

主要步骤：

  • 使能TIM4和GPIOB的时钟。
  • 配置PB6、PB7为浮空输入（TIM4的CH1、CH2通道）。
  • 配置TIM4定时器参数（自动重装值0xffff，向上计数，无分频）。
  • 配置TIM4为编码器接口模式（TI12，双通道，四倍频，正交编码器常用）。
  • 设置输入捕获滤波器，抗干扰。
  • 清除更新中断标志，开启更新中断。
  • 计数器清零，启动定时器。

2. Read_Encoder 函数

功能：读取编码器计数值，转换为有符号增量，并清零计数器。

主要步骤：

  • 读取TIM4->CNT（当前计数值，short类型，防止溢出）。
  • 若计数值大于0xefff（接近上限），做溢出处理，转换为负值（支持正反转）。
  • 读取后将计数器清零，便于下次读取增量。
  • 返回本周期的编码器增量。

3. 应用场景

  • 适用于直流/步进电机的转速、位置闭环控制。
  • 结合LADRC等控制算法，可实现高精度运动控制。

4. 关键点说明

  • 编码器模式：TIM_EncoderMode_TI12，支持正交编码器A/B两路信号，四倍频计数。
  • 滤波器：TIM_ICFilter = 10，有效抑制抖动和干扰。
  • 溢出处理：防止计数器溢出导致的方向错误。
  • 清零：每次读取后清零，便于获取增量。
#include "MOTOR.h"
#include "PWM.h"

extern u8 Start;
extern int ARR, PSC;


//启动电机
void loadMotor(int pwm)
{
	
	 if(Start)
	 {
		 if(pwm>=0)
		 {
				 
				Motor_antiClock(  pwm  );
			}
			else
			{
					
				Motor_Clock( -pwm);
				
			}
		 
	 }
	 else
	 {
		 Motor_Clock( 0 );
	 }
	
	
}

void Motor_antiClock(int pwm)
{
	
	TIM_SetCompare1(TIM1,  pwm );
	TIM_SetCompare4(TIM1, 00);
			
}
void Motor_Clock(int pwm)
{
	
	TIM_SetCompare1(TIM1, 00 );
	TIM_SetCompare4(TIM1,  pwm );
			
}


void Motor_Init(void)
{
		   //开关频率太高，必然短路	  
		 STM32C8T6_PWM_Init( TIM1,  CH1, GPIOA, GPIO_Pin_8,  ARR, PSC);// 频率1k
		 STM32C8T6_PWM_Init( TIM1,  CH4, GPIOA, GPIO_Pin_11, ARR, PSC);//频率1k
		 
}


int myAbs(int x) 
{
    if (x < 0) 
		{
        return -x;
    } 
		else 
		{
        return x;
    }
}

//限幅函数
int Limit(int x, int MAX)
{
	if( x>=MAX )
	{
		return  MAX;
	}
		
	else if(x<=-MAX)
	{
		return -MAX;
	}
	else
	{
		return x;
	}
	
	
}

1. 主要功能

  • loadMotor(int pwm)
    电机主控函数，根据pwm值和Start状态决定电机正转、反转或停止。

    • Start为真时，pwm≥0调用Motor_antiClock（反转），pwm<0调用Motor_Clock（正转）。
    • Start为假时，直接停止电机（pwm=0）。

  • Motor_antiClock(int pwm)
    设置定时器通道1输出pwm，占空比控制反转，通道4输出0。

  • Motor_Clock(int pwm)
    设置定时器通道4输出pwm，占空比控制正转，通道1输出0。

  • Motor_Init(void)
    初始化PWM输出，分别配置TIM1的CH1和CH4通道，频率由ARR和PSC决定。

  • myAbs(int x)
    求绝对值函数。

  • Limit(int x, int MAX)
    限幅函数，保证x在[-MAX, MAX]区间内。

2. 设计规则与原理

  • 正反转控制：通过控制两个PWM通道（CH1/CH4）分别输出，保证同一时刻只有一个方向有PWM，防止短路。
  • 启停控制：Start变量决定是否允许电机动作，安全性高。
  • PWM调速：pwm值决定占空比，进而调节电机速度。
  • 限幅保护：Limit函数防止pwm超出硬件允许范围，保护电路和电机。

3. 应用场景

  • 适用于直流电机的速度和方向控制。
  • 可与LADRC等控制算法集成，实现闭环调速。
void STM32C8T6_PWM_Init(TIM_TypeDef* TIMx, u8 CHx, GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin_x,   u16 arr, u16 psc)
{
 
	 GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
	 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStrue;
	 TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitTypeStrue;
	 
	 //RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
		 
	 //RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO ,ENABLE);
	 
	 if(TIMx==TIM1)
	 {
			RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE); //ʹ��TIM1��ʱ��ʱ���� 
	 }
	 if(TIMx==TIM2)
	 {
			RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);	 
	 }
	 if(TIMx==TIM3)
	 {
			RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);	  
	 }
	 if(TIMx==TIM4)
	 {
			RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);
	 }
	 if(GPIOx==GPIOA)
	 {
		 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO ,ENABLE);
	 }
	 if(GPIOx==GPIOB)
	 {
		 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO ,ENABLE);
	 }
	 if(GPIOx==GPIOC)
	 {
		 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC | RCC_APB2Periph_AFIO ,ENABLE);
	 }
 
	//�˿ڸ���ΪPWM���ģʽ
	 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_x;				 //LED0-->PB.5 �˿�����
	 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; 		 //�����������
	 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;		 //IO���ٶ�Ϊ50MHz
	 GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStructure);					 //�����趨������ʼ��GPIOB.5
	
	//��ʱ����ʼ��
	TIM_TimeBaseInitStrue.TIM_Period=arr; //�Զ�װ��ֵ
	TIM_TimeBaseInitStrue.TIM_Prescaler=psc;//Ԥ��Ƶϵ��
	TIM_TimeBaseInitStrue.TIM_CounterMode= TIM_CounterMode_Up;//����ģʽ
	TIM_TimeBaseInitStrue.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;//ʱ��ϵ��Tclk
	
	TIM_TimeBaseInit(TIMx, &TIM_TimeBaseInitStrue);
	
	//��ʼ���ȽϺ���
	TIM_OCInitTypeStrue.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;//PWMģʽ1
	TIM_OCInitTypeStrue.TIM_OCNPolarity=TIM_OCNPolarity_High; //CNT<CCRΪ�ߵ�ƽ
	TIM_OCInitTypeStrue.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;//ʹ��
	TIM_OCInitTypeStrue.TIM_Pulse = 0;//��ʼ״̬ռ�ձ�Ϊ0
	
	
	if(TIMx==TIM1)
	{
		//��������Ǹ߼���ʱ�����У����PWM�����
		TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);  //ȷ����TIM1����PWM
		
	}
	//ͨ��Ԥװ��  �ַ�����
	switch(CHx)
	{
		case 1:
			TIM_OC1Init(TIMx, &TIM_OCInitTypeStrue);//ͨ����ʼ��
			TIM_OC1PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);
			break;
		case 2:
			TIM_OC2Init(TIMx, &TIM_OCInitTypeStrue);//ͨ����ʼ��
			TIM_OC2PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);
			break;
		case 3:
			TIM_OC3Init(TIMx, &TIM_OCInitTypeStrue);//ͨ����ʼ��
			TIM_OC3PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);
			break;
		case 4:
			TIM_OC4Init(TIMx, &TIM_OCInitTypeStrue);//ͨ����ʼ��
			TIM_OC4PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);
			break;
		default:
			break;
		
	}
		
	//ʹ�ܶ�ʱ��
	TIM_Cmd(TIMx,ENABLE);
 
}

1. PWM的作用

PWM（脉宽调制）是一种通过调整高电平占空比来控制电机功率的方法。占空比越大，电机转速越快；占空比为0时，电机停止。

2. 代码实现分析

主要接口

  • STM32C8T6_PWM_Init(TIM1, CH1, GPIOA, GPIO_Pin_8, ARR, PSC)
  • STM32C8T6_PWM_Init(TIM1, CH4, GPIOA, GPIO_Pin_11, ARR, PSC)

这两行代码初始化了TIM1的CH1和CH4通道，分别用于电机的正转和反转PWM输出。
ARR和PSC决定PWM的频率。

PWM输出控制

  • TIM_SetCompare1(TIM1, pwm)
    设置TIM1通道1的比较值，决定CH1的占空比。
  • TIM_SetCompare4(TIM1, pwm)
    设置TIM1通道4的比较值，决定CH4的占空比。

电机正反转

  • Motor_antiClock(int pwm)
    反转：CH1输出pwm，CH4输出0。
  • Motor_Clock(int pwm)
    正转：CH4输出pwm，CH1输出0。

启停与限幅

  • loadMotor(int pwm)
    根据全局变量Start和pwm值，决定电机的启停和转向。
  • Limit(int x, int MAX)
    防止pwm超出允许范围，保护电机和驱动电路。

3. 设计规则

  • 只允许一个通道输出PWM，另一个通道输出0，防止桥臂短路。
  • 通过改变pwm值（占空比）调速，方向由通道选择决定。
  • 频率和分辨率由ARR、PSC参数灵活配置，适应不同电机需求。

可以看到定义PWM为7200-1，那么我的占空比为占7200的分数。 

 int ARR=7200-1, PSC=10-1;  //

 

 

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